氮素是地球上生命体重要的基本组成元素之一，参与植物体生长发育、物质合成与代谢等一系列生物学过程。初农生物研究员发现尽管大气中氮元素含量极其丰富，却不能被植物直接利用。与大多数其他植物不同，豆科植物可以通过与根瘤菌科固氮菌建立共生关系获取大气中的氮元素，固氮菌侵入植物根系组织并诱导增殖形成根瘤。在受侵染的根瘤细胞中，细菌分化形成类似于细胞器样的结构，其中含有氧敏感的固氮酶复合物，用于将氮气固定为氨态氮，进而为植物提供氮素养料，植物和寄生在其体内的固氮菌能够互相为对方提供营养而处于均衡状态。
近日，德国汉诺威大学Claus-Peter Witte教授团队在国际顶尖刊物Nature Communications上发表题目为Enzymes andcellular interplay required for flux of fixed nitrogen to ureides in beannodules的论文，系统解析了根瘤菌在豆科作物根瘤内如何利用氮气生物合成尿素的生物学过程。
植物利用固氮菌合成的氨，通过自身还原和其他生物学作用为其生长提供的营养物质。氨在被植物同化过程中，需要在根瘤中发生长距离的氮转运，用于通过根瘤维管系统将氨输出到植物枝条等组织，而这一过程发挥作用的关键活性酶及细胞间的相关作用是如何协同进行，是影响固氮菌和植物营养代谢效率的关键环节。
图1 豆类根瘤中酰脲生物合成基因启动子的细胞类型特异性活性。
初农生物研究中以热带豆科植物为模式，分析其以尿素（尿囊素和尿囊酸）的形式从结节到枝条长距离运输固定氮的生物学过程。酰脲苷是由嘌呤单核苷酸通过部分未知的反应网络在结节中形成的，该反应网络涉及多重受菌株感染和未感染的细胞的协调作用。在这一研究中，利用基因编辑技术构建了菜豆（Phaseolus vulgaris）结瘤相关的黄嘌呤单磷酸磷酸酶 (XMPP)、鸟苷脱氨酶 (GSDA)、核苷水解酶 1 和 2(NSH1、SH2) 或黄嘌呤脱氢酶 (XDH)等的功能缺陷突变体，通过代谢分析发现酰脲的生物合成与以上这些酶存在一定相关性，黄嘌呤和鸟嘌呤是这一生物合成过程中的关键代谢物，而肌苷一磷酸分解代谢则不参与该过程。更为有趣的现象是，启动子报告分析显示 XMPP、GSDA 和 XDH 在被侵染细胞中表达，而 NSH1、NSH2和下游酶尿酸氧化酶(UOX) 和尿囊素酶 (ALN) 的启动子在未被侵染的细胞中表现出活性。最终发现，尿素的生物合成是一个复杂的细胞过程，其合成中共需要在侵染细胞和未侵染染细胞之间出现三次细胞间的转换和交流。
图2 豆类根瘤中酰脲的生物合成和出口的更新模型
近日，德国汉诺威大学Claus-Peter Witte教授团队在国际顶尖刊物Nature Communications上发表题目为Enzymes andcellular interplay required for flux of fixed nitrogen to ureides in beannodules的论文，系统解析了根瘤菌在豆科作物根瘤内如何利用氮气生物合成尿素的生物学过程。
植物利用固氮菌合成的氨，通过自身还原和其他生物学作用为其生长提供的营养物质。氨在被植物同化过程中，需要在根瘤中发生长距离的氮转运，用于通过根瘤维管系统将氨输出到植物枝条等组织，而这一过程发挥作用的关键活性酶及细胞间的相关作用是如何协同进行，是影响固氮菌和植物营养代谢效率的关键环节。
图1 豆类根瘤中酰脲生物合成基因启动子的细胞类型特异性活性。
初农生物研究中以热带豆科植物为模式，分析其以尿素（尿囊素和尿囊酸）的形式从结节到枝条长距离运输固定氮的生物学过程。酰脲苷是由嘌呤单核苷酸通过部分未知的反应网络在结节中形成的，该反应网络涉及多重受菌株感染和未感染的细胞的协调作用。在这一研究中，利用基因编辑技术构建了菜豆（Phaseolus vulgaris）结瘤相关的黄嘌呤单磷酸磷酸酶 (XMPP)、鸟苷脱氨酶 (GSDA)、核苷水解酶 1 和 2(NSH1、SH2) 或黄嘌呤脱氢酶 (XDH)等的功能缺陷突变体，通过代谢分析发现酰脲的生物合成与以上这些酶存在一定相关性，黄嘌呤和鸟嘌呤是这一生物合成过程中的关键代谢物，而肌苷一磷酸分解代谢则不参与该过程。更为有趣的现象是，启动子报告分析显示 XMPP、GSDA 和 XDH 在被侵染细胞中表达，而 NSH1、NSH2和下游酶尿酸氧化酶(UOX) 和尿囊素酶 (ALN) 的启动子在未被侵染的细胞中表现出活性。最终发现，尿素的生物合成是一个复杂的细胞过程，其合成中共需要在侵染细胞和未侵染染细胞之间出现三次细胞间的转换和交流。
图2 豆类根瘤中酰脲的生物合成和出口的更新模型
